Исследование электромагнитного поля в линии передачи: в микрополосковой линии с диэлектриком - поликор - файл n20.doc
Исследование электромагнитного поля в линии передачи: в микрополосковой линии с диэлектриком - поликорскачать (18618.1 kb.)
Доступные файлы (21):
| 12_100229_1_54924.pdf | 2598kb. | 13.12.2009 20:55 | скачать |
| 196_ .pdf | 727kb. | 28.11.2009 13:19 | скачать |
| n3.jpg | 17kb. | 11.12.2009 21:36 | скачать |
| n4.djvu | 4579kb. | 18.05.2006 17:38 | скачать |
| n5.djvu | 2893kb. | 18.03.2009 00:17 | скачать |
| n6.exe | |||
| n7.jpg | 8kb. | 11.12.2009 21:56 | скачать |
| n8.jpg | 28kb. | 13.12.2009 21:32 | скачать |
| n9.doc | 123kb. | 08.12.2009 02:01 | скачать |
| n10.djvu | 1737kb. | 06.12.2009 16:04 | скачать |
| n11.doc | 25kb. | 14.11.2009 15:52 | скачать |
| n12.djvu | 2196kb. | 06.12.2009 16:01 | скачать |
| n13.doc | 275kb. | 05.11.2009 15:41 | скачать |
| n14.doc | 390kb. | 11.01.2010 23:59 | скачать |
| n15.doc | 5885kb. | 06.12.2009 16:06 | скачать |
| n16.djvu | 3427kb. | 06.12.2009 16:05 | скачать |
| n17.doc | 21kb. | 08.12.2009 01:59 | скачать |
| n18.doc | 24kb. | 13.12.2009 22:06 | скачать |
| n19.doc | 228kb. | 11.12.2009 21:51 | скачать |
| n20.doc | 302kb. | 28.11.2009 13:37 | скачать |
| n21.xls | 18kb. | 13.12.2009 21:34 | скачать |
n20.doc
УДК 533.6.071.3:621.391.822:621.396Воронкин А.С.
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЦЕПЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ В ВЧ/СВЧ ПРИБОРАХ
В работе представлена модель для расчета и синтеза оптимальных параметров линий передач и цепей согласования регистрирующих приборов в сверхвысокочастотном диапазоне. Рис. 6, Табл. 1, Ист. 7.
Современные достижения в области нанотехнологий привели к колоссальному увеличению инновационных разработок различных приборов и систем СВЧ диапазона – это оптические и цифровые средства связи, устройства СВЧ-связи, вещания и спутниковой навигации, радиолокационные системы и др. Особый интерес представляет разработка аппаратуры для регистрации физических явлений [1], изучение воздействия волн на биообъекты.
Проектируя малошумящие широкополосные усилители (МШУ ВЧ/СВЧ) необходимо учитывать не только целый ряд таких параметров, как усиление, шум, устойчивость и др., но и их взаимосвязь. Использование полосковых структур естественно приводит к проблеме распределения, фильтрования, согласования, деления мощности и др. Поэтому одной из главных задач при разработке большинства приборов ВЧ/СВЧ является расчет оптимальных условий согласования элементов, параметров согласующих цепей (линий передач) в заданном частотном диапазоне.
В диапазоне СВЧ используют большое число разнообразных линий передач: коаксиальные, полосковые, микрополосковые, щелевые, копланарные, связанные полосковые, объемные и др. Основные геометрические параметры микрополосковых линий (МПЛ) представлены на рис. 1.
Рис. 1. Основные геометрические параметры микрополосковой линии с диэлектрическим заполнением и эквивалентные Т- и П- образные схемы отрезка линии
Параметры полосковых линий, рассчитываемые в разработанной программе “Microstrip_Line”, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Основные параметры моделирования полосковых структур в программе “Microstrip_Line”
Необходимо отметить влияние на значения характеристик полосковых линий (ПЛ) различных типов неоднородностей, таких как изменение ширины ПЛ, изгиб, пересечение и др. Теория полосковых линий передач довольно сложна. Если
, 
, то электрическое и магнитное поля сосредоточены в основном в пространстве между проводником и заземленной пластиной.Для моделирования МПЛ необходимо найти значение волнового сопротивления, эффективной диэлектрической проницаемости, индуктивности и емкости, времени распространения сигнала, фазовой постоянной, коэффициента затухания, задавая геометрические параметры (см. рис. 2).
Значение волнового сопротивления
и фазовой скорости 
для волн типа ТЕМ в полосковой линии определяются из уравнений:  ,  | (1) |
где l, C – индуктивность и емкость на единицу длины.
Емкостное значение С линии (в пФ/м) при
определяется из:  , при  , | (2) |
где h – толщина диэлектрической подложки; ? – диэлектрическая проницаемость подложки; t – толщина проводящего слоя МПЛ; w – эффективная ширина МПЛ (расчетное значение ширины линии, имеющей конечную толщину), при чем t
 , при  , | (3) |
где с - физическая ширина МПЛ. Эффективная (электрическая) ширина превышает физическую из-за краевых явлений на ребрах. Для существования только основного типа волн ТЕМ в полосковой линии необходимо выполнение ряда ограничений:
, 
, 
, 
.Для расчетов волнового сопротивления (
, Ом) полосковой линии применимо практическое выражение, полученное в квазистатическом приближении [2]. Дисперсия основной волны почти не проявляется на частотах до 1 ГГц - структура волны несущественно отличается от структуры Т-волны.  , | (4) |
Точность определения
по формуле (4) составляет 1 % при 
и 3 % при 
[2]. По мере повышения частоты - все более заметны зависимости волнового сопротивления линии и эффективной диэлектрической проницаемости от частоты. Ниже приведены формулы для расчета с точностью не хуже 1% [3,4].
 ,  | (5) |
Эффективная диэлектрическая проницаемость численно равна
, где V - скорость света вакууме (2.998*108 м/с.Приближенная формула расчета
МПЛ приведена ниже [3,4]:
,Если
, то эффект дисперсии незначителен и им можно пренебречь. Увеличение толщины t приводит к уменьшению дисперсии. Влияние частоты на характеристики МПЛ учтем с помощью следующих соотношений:  , | (6) |
где
: 
, для 
Программа позволяет решать и обратную задачу – проводить синтез МПЛ, для нахождения геометрических размеров МПЛ по ее волновому сопротивлению.
Ориентировочно оценить время распространения сигнала в МПЛ (в нс/м) можно по формуле из [2]:
 , | (7) |
Электрическая длина волны определяется из расчета длины основной квази Т - волны:
 , | (8) |
где длина волны в свободном пространстве
; f – рабочая частота; коэффициент 
:  , | (9) |
где
при 
и 
при 
; L – длина МПЛ.Фазовый сдвиг (фазовая постоянная) в линии [рад/м, град/м] если диэлектрик не заполняет линию полностью:
 , | (10) |
Таким образом, фазовый сдвиг на выходе относительно входа линии, длиной L, определяется, как
. Тогда сигнал на выходе запаздывает относительно входного на время 
.Важной характеристикой МПЛ является также погонное затухание электромагнитной волны в линии. Как правило, потери (
[дБ/м]) обусловлены тремя составляющими: потерями в диэлектрике 
, проводниках 
, и потерями на излучение 
(потерями на излучение можно пренебречь, если 
невелико) [3-6]:  , | (11) |
где
и определяются из следующих приближенных формул:  , | (12) |
где
- тангенс угла диэлектрических потерь среды, заполняющей линию (табл. 1).Таблица 1. Основные характеристики некоторых диэлектрических подложек
| Диэлектрик |  |  | Плотность, г/см3 | | |
| Фторопласт – 4 / Тефлон (ФФ-4) | 2.0±0.1 (при 1010 Гц) | 3 (при 1010 Гц) | 2.1…2.3 | | |
| Поликарбонат, наполненный двуокисью титана (ПКТ-3) | 3.0±0.16 (при 1010 Гц) | 50 (при 1010 Гц) | 1.3 | | |
| Стеклотекстолит (СФ1-35; СФГ-230-2-50) | 6.0 (при 106 Гц) | 250 (при 106 Гц) | 1.6…1.85 | | |
| Сапфир | 9.4…11.7 | 1 | 3.98 | | |
| Al2O3, 94.4 % | 9.3 | 15 | 3.65 | | |
| Арсенид галлия | 12.9…13.1 | 16 | 5.4 | | |
| SiO | 5…6.11 (при 103 Гц) | 10…20 (при 103 Гц) | - | | |
 , при  , | (13) | ||||
где
и 
, при 
; Rs – поверхностное сопротивление, Ом:
; 
- удельное сопротивление материала проводника, 
; магнитная проницаемость свободного пространства 
Гн/м; f – рабочая частота, задаваемая в Гц.Матрица S-параметров для отрезка линии передачи [5-7]:
  , | (14) |
где
Ом (нормирующее волновое сопротивление); 
; 
; 
; 
; 
и определяется из уравнений (10) и (11). На рис. 3, рис. 4 представлены результаты, полученные при компьютерном моделировании параметров отрезка МПЛ в программе Microstrip_Line.
Рис. 3. Результаты расчета программы: а) зависимость увеличения емкости МПЛ с заземленной подложкой от ширины проводника w при
и различных значениях h: 0.5 мм (● ● ●), 1.5 мм (▬▬▬), 5 мм (▬ ▬ ▬), t=35,5 мкм; б) зависимость изменения волнового сопротивления МПЛ от ширины линии при 
, t=35,5 мкм и значениях h: 0.5 мм ·■( ·■·■·), 1.5 мм (▬▬▬), 5 мм (-●-●-●-), 15 мм (- · - · -)
Рис. 4. Результаты автоматизированного расчета Microstrip_Line: а) зависимость изменения волнового сопротивления МПЛ от частоты при:
, h=1.5 мм, с=5.72 мм, t=35.5 мкм, 
Ом; б) зависимость коэффициента электрической длины волны МПЛ от диэлектрической проницаемости подложки при h=1.5 мм, с=5.72 мм, f=470 МГц, и при различных значениях L: 0.005 м (▬ ▬ ▬), 0.025 м (■ ■ ■), 0.05 м (▬▬▬)Необходимо также учитывать наличие неоднородностей МПЛ. Например, эквивалентная схема изгиба под прямым углом приведена на рис. 5.
Рис. 5. Изгиб МПЛ и эквивалентная схема
Шунтирующая емкость Си и последовательные индуктивности Lи/2 определяются формулами из [4]:
 , при  , | (15) |
где
- в пФ/м; 
- в нГн/м.На рис. 6 представленные сравнительные результаты моделирования параметров МПЛ в различных программах, использующих различные математические модели.
Рис. 6. Сравнительные результаты моделирования МПЛ: а) зависимость электрической длины волны от частоты (
); б) зависимость эффективной диэлектрической проницаемости подложки от частоты ( 
); в) зависимость фазового сдвига на выходе линии относительно входа от частоты ( 
); г) зависимость погонного затухания от частоты ( 
); д) зависимость фазовой постоянной от частоты ( 
); е) зависимость волнового сопротивления линии от частоты ( 
); ж-з) зависимость параметров S11 и 
для отрезка МПЛ: L=2.6 мм, , с=0.047 мм, t=35.5 мкм, 
. Программа Microstrip_Line (▬▬), AppCAD, США (▪ ▪ ▪), программа TxLine, США (▬ ▬ ▬), 
- максимальное отклонение результатовНа рисунке 6 (а-е) представлены результаты, полученные при моделировании медного отрезка МПЛ длиной 25 мм (h=1.5 мм,
=2.5, c=5.72 мм, t=0.0355 мм, 
=0.025, 
) программой Microstrip_Line, в сравнении с результатами, полученными в программах TxLine (США) и AppCAD (США). Следует отметить, что AppCAD позволяет рассчитывать 
, 
и 
- в программе не рассчитывается величина погонного затухания (не учитывается тангенс диэлектрических потерь подложки и материал проводника линии). Программа TxLine позволила получить значения 
, , , 
и 
. На рисунке 6 (ж, з) приведены частотные зависимости
и микрополосковой линии с параметрами: L=2.6 мм, , с=0.047 мм, t=35.5 мкм, 
).Использование модели позволяет не только рассчитывать, моделировать и синтезировать параметры полосковых линий при разработке устройств СВЧ, но и получать зависимости одновременно нескольких параметров в заданном частотном диапазоне, что делает расчет максимально наглядным. Максимальное расхождение результатов с результатами, полученными в AppCAD и TxLine (США) составило менее 5 % в частотном диапазоне - до 10 ГГц.
Список литературы
1. Воронкин А.С. Многоканальная цифровая автоматизированная система регистрации быстропротекающих физических процессов / А.С. Воронкин, П.И. Голубничий, Ю.М. Крутов // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля – Луганськ, 2007. - №4 (110), Ч.I. – С. 57-65.
2. Э. Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике / Э. Ред. – М.: МИР, 1990. - 256 с.
3. Bahl I.L. Lumped elements for RF and microwave circuits / I.L. Bahl – London, Boston: Artech house, 2003. – 492 p.
4. Разработка моделей, методов и программных средств для автоматизированного проектирования СВЧ МИС: отчет о НИР / Томский гос. Университет систем управления и радиоэлектроники. НПФ “Микран”. Исследовательский институт СВЧ и оптической связи (Франция); науч. рук. Бабак Л.И. – Томск, 2006. – 334 с.
5. В. Фуско. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование / В. Фуско. Под редакцией В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1990. – 288с.
6. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ [и др.]. Под редакцией В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. – 328 с.
7. К. Гупта, Т. Гардж, Р. Чадха. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и связь, 1987. – 432 с.